基于压电薄膜传感器的公路轴载数据采集系统应用研究

李继亮

(苏交科集团股份有限公司 南京市 210017)

1 压电薄传感器动态称重

随着传感器技术、信号传输与存储技术以及数据分析的快速发展，桥梁健康监测系统日益成熟，该系统可以及时采集结构的响应，及时发现桥梁损伤，为桥梁维护提供技术依据，辅助桥梁日常交通管理，从而确保桥梁运营安全[1-2]。

车辆轴载数据监测是中小桥梁结构安全状态评价技术的一个重要组成部分，也是评估超载的关键，超载严重会造成桥梁严重损伤[3]。建立一套能够在中小桥梁上布设，全天候监测的、价格低廉的、精度较高的实时轴载数据采集系统进行全天候轴载数据采集，对桥梁的建设、辅助养护和管理具有重要意义。压电聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(压电薄膜)，在收到拉伸或者弯曲的强制变形时，薄膜上下电极表面之间就会产生一个电信号(电荷或电压)，电信号的大小和变形程度成比例。对压电薄膜纵向施加一个很小的力时，横向上会产生很大的应力。因此，压电薄膜对动态应力非常敏感，28μm厚的PVDF的灵敏度典型值为10～15mV/微应变。因此适用于大车流量，高速车载的动态称重[4]。此外，PVDF 压电薄膜传感器具有体积小，响应快，安装维护方便，成本低廉的独特优势，是近年来兴起的广受欢迎的一种车辆动态秤重技术。能够实现在间断交通的情况下大量车流的准确称重，大幅提高车辆称重的效率。本系统的研发应用具有巨大的工程应用前景。

2 系统组成

基于压电薄膜传感器的公路轴载数据采集系统包括前端数据采集子系统、传输子系统、后台数据管理子系统。系统以压电薄膜传感器作为采集终端，结合信号波形特性创建数据采集模型，获取高速行驶车辆的轴重、轴数、轴距、车速、车辆总重等其他交通信息[5]，通过传输子系统将前端采集数据发送至后台数据管理子系统中，实现车辆轴载与超限数据的查询统计。

2.1 前端数据采集子系统

称重传感器采用目前应用于高速动态称重的压电薄膜传感器，压电薄膜材料是一种经过强电场极化后将动能转化为电能的材料，其外观如图1所示。车辆经过压电薄膜传感器时，产生一个与施加到传感器上的压力成正比的模拟信号，传感器会产生一个新的电子脉冲。称重的检测原理就是对传感器受力产生的信号积分。为采集车速信息，通常在每条车道上安装两条传感器(一般相距3m，可根据实际需求调整)，传感器之间距离已知，用距离除以两个传感器信号的时间周期，即可得到车速[6]。

图1 压电薄膜式称重传感器

前端数据采集子系统由太阳能电源模块、处理器模块、信号调理等模块组成，实时动态采集车辆通过传感器时的轴重、车辆总重与车速等信息。采集终端硬件架构如图2所示。太阳能电源模块能够满足10d以上的系统供电，布设地点可以不受供电条件限制。

图2 采集终端硬件结构示意图

2.2 传输子系统

数据传输子系统主要解决前端采集的数据传输到中心的通信方式，需要选择高效、可靠的通信线路，传输子系统采用GPRS传输模块发送数据到后台数据中心。传输模块的设计需要对采集终端通信数据量进行分析，按照传输需求设计[7]。传输子系统中可以通过配置参数配置定时采集发送，也可通过触发某种条件发送。

2.3 后台数据管理子系统

后台数据管理子系统包括实时数据监测、轴载数据查询、超限数据查询、轴载数据分析、超限数据分析、系统管理六大模块。实现数据接收、存储、查询、统计与分析[8]。用户可对前端设备采集的信息进行实时监测，并可按照安装位置、车型、时段等方面进行车辆轴载与超限数据的统计分析，还能对前端设备电池电量与路面温度进行监控[9-10]。后台数据管理子系统界面如图3所示。

3 系统验证

在内场验证的基础上，选择在S249宿迁至新沂段叶庄收费站办公区以北150m处安装公路轴载数据采集系统。

系统布设成功后，选择标准车辆对系统自行标定，标定流程如下：

(1)选车：选择标定车辆，要求载货均匀，车况良好。

(2)称重：标定车在地磅上静态称重，记录重量值作为参考。

(3)标定：标定车以不同速度(30～70km/h)匀速驶过断面，每个速度下行驶3遍，系统调至标定工作状态，采集每次行车的动态重量。

(4)计算：记录下各次采集值，并与基准重量值比较，拟合得出灵敏度系数，保存至系统软件。

(5)校验：标定车以不同速度(30～70km/h)驶过断面，每个速度下行驶1遍，将系统输出值与基准值比较，以验证标定效果。

图3 实时数据监测页面

(6)应用：若标定后系统误差在合理范围内，则接受此次标定系数，系统切换至正常采集模式，即可应用新标定系数进行车辆轴载信息采集和上传。

称重所得的标准轴重为：2.01t，4.98t，5.01t，10.03t，15.01t，19.98t，24.95t，29.94t。采用以上轴重车辆校验压电薄膜传感器精度。将每个速度下的均值绘制散点图如图4(a),并进一步计算相对轴重误差值，作箱型图如图4(b)。

图4 轴重标定结果

由图4可知，采用压电薄膜传感器实测所得的轴重数据和校验车辆的标准轴重非常接近，最大误差不超过±3%，且相对误差整体上随车速增加具有递增趋势，这是由于较高车速下，车辆对地面冲击效应更为显著，对测试结果存在不良影响。但70km/h速度以下的整体精度仍大于96%，满足工程应用要求。

此外，通过大量的现场试验，对压电薄膜传感器轴载系统的其他技术参数也进行了详细的评估，取得本系统主要技术指标如下：

工作模式:支持单车数据上传、单车波形上传、定时打包上传、手动采集车辆信息等4种工作模式。

轴载测量范围: 0～30t/轴；轴载测量精度:≥93%。

速度测量范围: 5～200km/h；速度测量误差:±1km/h。

轴间距测量范围: 0～20m；轴间距测量精度: >98%。

车长测量范围: 0～25m；车长测量精度: >95%。

车流量计数: >98%；车型分类:机动车车型一级分类；跨道识别率:≥90%。

传感器一致性误差:≤10%；传感器温度漂移灵敏性:<0.2%。

系统稳定工作的环境参数：工作温度为-20℃～+80℃，工作湿度为0～90%，

工作时间：7×24h；无障碍运行时间(MTBF)：≥20000h；使用寿命： 5年以上。

试验过程中也发现车辆受到路面温度和行车速度的影响，后期将以一年为采集周期，通过进一步标准车型的数据测试修正采集模型。通过公路轴载数据采集系统在现场长期运行，进一步验证从数据采集、传输、接收、存储到分析五大过程。

4 总结与展望

重点介绍了压电薄膜传感器在公路轴载数据采集中的应用，包括基于压电薄膜传感器的公路轴载数据采集系统的系统组成，各模块功能；进一步展示了后台监测系统，最后给出了系统验证的步骤和系统运行的各项参数指标。基于压电薄膜传感器的公路轴载数据采集系统造价低廉，开发安装方便，值得类似项目借鉴应用。为进一步提高系统的测量精度，可采用斜率阈值法对采集的波形进行零点参考值确定，并利用速度与曲线面积求得轴重重量，并开发信号采集电路。同时需要分析压电薄膜轴重测量精度受温度和速度的影响程度，建立轴重数据与温度和速度之间的误差模型，研究轴重数据与两者之间的补偿方法。综合来看，本称重系统原理明确，安装方便，后台系统完善，同时精度较高，可以很好地实现动态称重的目的。